基于RS485的传收器雷击保护功能方案设计

智能电网 (Smart Grid) 是目前全世界重要的节能减碳政策之一，其中具有可长距离通讯的RS485网络，是智能电网中关键的传输接口。RS-485传输线一般架在室外或沿电缆铺设，所以常发生因雷击在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件。此外，RS-485网络一般是Party-Line (or Bus)结构，即一条总线(Bus)连接数十至数百个RS485传收器(Transceiver)。因此，雷击浪涌(Surge)产生电压突波可能会导致传输线上数百个RS-485传收器的损坏。故任何的电压突波保护措施是RS-485实际使用中必须考虑的问题，也是提高系统可靠性及安全性重要的措施。晶焱科技本持着在ESD领域的专业设计经验，推出具有IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A雷击功能的RS485传收器 (AZRS3082)，AZRS3082是目前市面上雷击保护功能最强大的RS485传收器。

AZRS3082具有最强大的ESD保护功能

在传统的RS485传收器中，为了符合DL/T 645的标准，传输线接口A,B两端会有HBM 15kV的规格，但在实际应用上，这样的防护是不够的。所以目前一般的解决方法是在RS-485传收器外部加上瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS)来防止电压突波，但一般的TVS很难做到大功率，所以在雷击浪涌到来时，瞬间大能量会直接损坏一般的TVS，尤其是整合到芯片中的TVS更是脆弱，所以设计上还是需要外加雷击浪涌保护组件。

目前外加的雷击浪涌保护组件有气体及陶瓷放电管、压敏电阻及TVS三种。放电管的耐电流能力很强，但是其反应速度慢，箝制电位也非常高(约为800V左右)，这样的特性使其保护效果大打折扣，常会遇到即使加了放电管，受保护组件仍会损害。压敏电阻其寄生电容大，导通电阻也高，且低电压的压敏电阻漏电流大，也不适合用于RS-485接口保护。传统利用半导体制作的TVS虽然反应速度极快，但其耐高电压、高电流的能力不足，所以难以抵挡雷击浪涌的冲击。

晶焱科技陈志豪博士指出：『晶焱科技本持着开发高可靠性、高安全性的接口传输IC为目标，为了使系统客户的设计更简单、更有效率为宗旨。』陈博士更进一步指出：『具有强大雷击防护功能的TVS，一般是不容易整合到传统CMOS IC中，但晶焱科技本持着ESD专业设计的背景，克服了许多技术的瓶颈，终于做到了！』。这内建特殊TVS的Transmission-Line-Pulse (TLP)双向特性如图一所示。与他家内建雷击保护传收器的雷击浪涌的测试特性比较图，如图二所示。由图中可以看出AZRS3082不仅可承受的更高的雷击浪涌电流，且具有更低的雷击箝制电压(Surge Clamping Voltage)，当TVS雷击箝制电压越低，其对芯片的保护效果会越好。

此内建特殊TVS的RS485传收器也提供系统级静电放电保护，使得传输线接口A,B端受到更完整的保护，其RS485传输端A,B的ESD规格如下：

1. IEC 61000-4-2, 接触模式Contact Discharge ±30 kV

2. IEC 61000-4-2, 空气放电模式Air-Gap Discharge ±30 kV

3. IEC 61000-4-2, 电子快速脉冲模式EFT (5/50ns) 4.4 kV

4. IEC 61000-4-5, 雷击浪涌Surge (8/20μs) ±30 A

除了传输端A,B具有完整ESD防护外，AZRS3082内建整体防护，Human Body Model (HBM) 静电放电保护更是每一PIN脚均符合DL/T 645标准 (JEDEC人体模型HBM 15kV)，其全芯片ESD保护架构如图三所示。除此之外，为了工业级的应用其Machine Model(MM) 测试高达800V，使其在Profibus(工业自动控制)的应用有最高的安全性。在芯片自我防护方面，AZRS3082的Charge Device Model (CDM) 防护能力高达2kV，这使得芯片因制程环境不良所累积过多电荷时可以强大自我保护作用。在稳定性及可靠性上，AZRS3082具闩锁防制能力（Latchup Immunity）高达400mA，所以可使用在高噪声的环境下而无虞。

图一 AZRS3082芯片内建防雷击TVS之TLP 双向曲线图。

 

图二 AZRS3082与他家的雷击特性比较图。

图三 AZRS3082全芯片ESD防护电路。

AZRS3082是长距离半双工传输

RS485的传输器TX端是利用差动放大器输出其差动讯号到传输端A,B，传输端A,B经由双绞线将讯号传送到另一RS485接收器RX端上。RS485讯号传收的速度，会受到传输距离的限制。当传输的距离越远，其讯号衰减越为严重，所以传输速度也就越慢。AZRS3082是半双工传输模式，也就是仅利用一条双绞线(总线)就可以实现传送与接收的动作。在同一总线中，AZRS3082可允许有256个RS485传收器。AZRS3082传输器TX的差动讯号值(VOD=VA-VB)可高达至少2.1V，符合Profibus的应用规格，这使得在一定速度下的传输距离可以达到更远。AZRS3082在接收端RX的设计上，考量RS485标准及Fail-Safe功能(A,B端误接但安全状态功能)，在不同的共模电压(VCM=-7~12V)下，将接收端RX的临界电压设计在-50mV～-200mV之间，使其符合RS485标准规格同时又可以达到Fail-Safe的要求。

AZRS3082 具环保节能的设计

『智能电网』的诉求是节能减碳，AZRS3082为了使能源在等待的状态下减低耗损，其关闭电流设计小于1nA。在电路整体设计上，考量电源刚开启时，不让电路有短路电流流过，利用电路技巧将整体电路先做关闭的动作，电源稳定后再依照指令开启，使得电源的效率达到最高。

AZRS3082芯片中内置强大的雷击功能TVS，是目前晶焱RS485传收器最大的技术突破点。再者，其优越的静态耗电及超低的等待耗电，符合目前节能减碳的环保政策。其设计的差动讯号值，更使得AZRS3082在相同速度下可以传输的更远。所以AZRS3082是诉求高性能、高稳定性、高安全性的RS485传收器。